金善來,王永斌,劉宏波

(海軍工程大學(xué),湖北武漢430033)

0 引言

短波信道是短波通信系統(tǒng)的重要組成部分。信道的好壞直接影響著通信的質(zhì)量。而在短波信道中傳輸?shù)碾姴ㄖ苯邮艿街車h(huán)境的影響,到達接收端時會發(fā)生很大的衰落變化,對通信質(zhì)量產(chǎn)生非常不利的影響。

短波通信試驗中,涉及地域廣、試驗次數(shù)多、經(jīng)費消耗大,采用仿真技術(shù)是有效的解決途徑。在評估短波數(shù)字通信系統(tǒng)時,為了探測通信鏈路以及通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的好壞,一種是實驗測試,一種是信道模擬[1]。實驗測試是在實際的電離層鏈路上進行的,實現(xiàn)起來非常困難,而且對信道條件難以控制。而信道模擬仿真方法則是通過對信道特性進行理論分析,建立信道模型。利用信道仿真可以控制、改變信道參數(shù),進而了解在不同信道條件下的信道性能。

1 短波通信線路模型

建立一條具體的通信線路,可以有各種不同的方案,圖1為進行線路設(shè)計而假設(shè)的短波電離層反射信道模型[3]。

圖1 短波電離層反射信道的模型

圖中信道基本傳播損耗Lp,表示無線電波進入電離層信道后,在傳輸中的能量損耗。若把天線增益也歸入到“損耗”中去,則稱為“系統(tǒng)損耗”Ls,P′n表示侵入短波信道的各種外部噪聲功率。顯然,若用 Pt表示發(fā)射功率,Pr表示接收功率,則：

2 短波通信線路模型仿真方案

系統(tǒng)由4大部分組成,劇情數(shù)據(jù)的接收模塊、規(guī)劃數(shù)據(jù)的接收模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、信噪比的讀取及發(fā)送模塊。

其中劇情數(shù)據(jù)的接收模塊、規(guī)劃數(shù)據(jù)的接收模塊、信噪比的讀取及發(fā)送模塊由VC編寫,信道模型的計算模塊由Fortran編寫,數(shù)據(jù)庫模塊包括電離層干擾產(chǎn)生、太陽黑子數(shù)和短波信道傳播預(yù)測的數(shù)據(jù),由Access數(shù)據(jù)庫及標準的關(guān)系數(shù)據(jù)庫操作語言完成。系統(tǒng)的總體流程圖如圖2所示,下面對流程圖中各模塊功能進行分析。

圖2 系統(tǒng)的總體流程圖

2.1 劇情數(shù)據(jù)和規(guī)劃數(shù)據(jù)的接收模塊

圖中的劇情數(shù)據(jù)包提供參加通信的各個位置的地理信息,如經(jīng)緯度等;規(guī)劃數(shù)據(jù)包提供參加通信的各個通信裝備的具體指標,如電臺功率、天線高度等。劇情數(shù)據(jù)的接收模塊和規(guī)劃數(shù)據(jù)的接收模塊是接收各計算參數(shù),并把收到的數(shù)據(jù)傳入信道模型的計算模塊處理。在接收數(shù)據(jù)時,通過VC編寫一個定時器周期性檢查端口收發(fā)實時狀態(tài),以保證整個程序可以不停的接收外界數(shù)據(jù)包,且不存在數(shù)據(jù)的丟失和錯亂問題。

2.2 信道模型的計算模塊

信道模型的計算模塊是由Fortran編寫的,利用了Fortran程序的科學(xué)計算精確度高,運算速率快等特點實時處理上層數(shù)據(jù),而且此部分是整個模型建立的核心部分,當接收到相應(yīng)的參數(shù)后使用模型算法實時處理,運算結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫。

可通率是指通信線路的接收端的信噪功率比γo高于某個可以接收的最小信噪比 γomin的時間百分比[3]。在線路設(shè)計時,可通率是重要的指標,因此計算出接收端的信噪功率比γo非常關(guān)鍵[4]。

假設(shè)SNr是接收機信噪比,Pr是接收端的接收信號功率,Pn是噪聲功率

式中,Lp0是自由空間傳播損耗;La是電離層吸收損耗;Lg是多跳地面反射損耗;Yp是額外系統(tǒng)損耗。Yp不同時刻的估算值如表1所示。

表1 額外系統(tǒng)損耗的估算值表

中緯度地區(qū),Yp大約在15～18 dB。

噪聲功率計算：大氣噪聲用CCIR第322報告所提供的世界大氣無線電噪聲資料來估算。這一套資料把一天分成6個時段,而把一季里同一時段內(nèi)的360個小時組成1個時區(qū),全年共有24個時區(qū)。大氣噪聲資料為每1時區(qū)提供3張算圖,所以一套完整的大氣噪聲資料含有72張算圖。在算圖中用有效天線噪聲系數(shù)Fa來表示大氣噪聲的數(shù)值[3]。

由3張算圖求得Fa后,應(yīng)利用下式折算成噪聲功率

最后得：SNr=Pr-Pn。

2.3 數(shù)據(jù)庫模塊

在整個的模型計算過程中,數(shù)據(jù)讀取和存入都和數(shù)據(jù)庫有著緊密的聯(lián)系,數(shù)據(jù)庫部分起到了數(shù)據(jù)的保存和數(shù)據(jù)的共享作用。而且,數(shù)據(jù)庫存儲了信道計算所需的電離層干擾數(shù)據(jù)、太陽黑子數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù),提供模型計算使用。這樣即使得整個計算過程流程清晰化、處理數(shù)據(jù)實時化,還起到了分布式計算的作用。

2.4 信噪比的讀取及發(fā)送模塊

信噪比的讀取及發(fā)送模塊是利用VC編寫的,通過VC編寫一個定時器周期性的讀取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù),使計算的結(jié)果可以準確實時地發(fā)送給模擬臺位,以便整個網(wǎng)絡(luò)運行使用。

3 短波通信線路模型仿真實現(xiàn)

3.1 仿真場景設(shè)置

仿真場景如圖3,此場景包括規(guī)劃臺位1個、劇情臺位1個、信道模擬臺位1個以及通信模擬臺位5個。

圖3 實驗室仿真環(huán)境

各臺位之間通過UDP協(xié)議通信。信道模擬臺位接收規(guī)劃數(shù)據(jù)包和劇情數(shù)據(jù)包,解析其中的相關(guān)數(shù)據(jù),進行計算,將計算結(jié)果信噪比以廣播的形式發(fā)送給各個通信模擬臺位。各個模擬臺位通過接收到與自己相關(guān)的信噪比來判斷是否可以進行通信[5](假定此次仿真中接收機靈敏度為-30 dB)。

3.2 試驗性能分析

為了驗證仿真的可行性,用如下數(shù)據(jù)進行測試,表2為輸入?yún)?shù)表,表中的經(jīng)緯度和模擬臺號來自劇情數(shù)據(jù)包,頻率、功率和天線高度來自規(guī)劃數(shù)據(jù)包。參加組網(wǎng)的有5個模擬臺位,取出其中任意2個臺位進行計算,共有20種排列的方式,通過這20個計算結(jié)果判斷是否可以正常通信。表3為輸出結(jié)果對比表。

表2 輸入?yún)?shù)表

表3 輸出信噪比對比表 (單位：dB)

其中,表 3 中表頭的 1、2、3、4、5 代表模擬臺位號;表中的數(shù)據(jù)是信噪比,單位是dB。通過對表3的數(shù)據(jù)分析,可得出如下結(jié)論：

①同樣的2個臺位,把它們分別當成發(fā)端和收端,所得到的信噪比完全不同,這是因為和收端的本地噪聲有關(guān),與實際吻合;

②得出的信噪比,有的接近于0 dB,有的是負值,這說明本地噪聲很大,與實際情況基本相符。

從上面的數(shù)據(jù)分析,可以得出模型的仿真可以基本滿足需求。

4 結(jié)束語

利用VC與Fortran聯(lián)合編程的方法[6],對短波通信線路進行仿真,并對模型公式進行了簡化,完成了短波信道傳輸性能的仿真開發(fā),在實現(xiàn)可操作性的同時保證了數(shù)值運算的可靠和簡潔高效,具有簡單易行、可移植性強等優(yōu)點,并可嵌入到大型半實物網(wǎng)絡(luò)運行環(huán)境中。

[1]韓志學(xué),畢文斌,張興周.基于Watterson模型的短波信道實時軟件模擬[J].微電子學(xué)與計算機,2007(5)：33-36.

[2]賈獻品,周安棟,楊路剛,等.基于VC和Matlab的短波電臺通信仿真設(shè)計[J].通信技術(shù),2010(1)：51-53.

[3]沈琪琪,朱德生.短波通信[M].西安：西安電子科技出版社,2001.

[4]胡中豫.現(xiàn)代短波通信[M].北京：國防工業(yè)出版社,2005.

[5]張傳浩,程健慶,陳利風(fēng).短波信道模型仿真實現(xiàn)及改進算法研究[J].指揮控制與仿真,2009(6)：77-78.

[6]胡亞鵬,朱東華,郭小賓,等.VC++和FORTR AN混合編程在陣列感應(yīng)數(shù)值模擬軟件中的應(yīng)用[J].計算機與通訊技術(shù)2010(3)：79-81.